【学习干货】BLE协议学习总结

通信

本帖最后由欢歌凡语于 2020-6-18 20:08 编辑

作者：LG
经授权转载自：平头哥芯片开放社区
原文链接：https://occ.t-head.cn/community/post/detail?spm=a2cl5.14290816.0.0.d3ef180ftmepVt&id=614186505178447872&inviteUserId=3674554387000918016

最近因工作需要，投入到BLE项目中，故而花了不少时间翻看标准，钻研原理，以求知其所以然。结合平头哥BLE产品，实践验证理论，还是有了不少心得。一直想记录下来，奈何一直忙（给自己找了个理由），哈哈，今天终于下笔，来个小结。当然，如有不准确之处，还望各位同学批评指正。

目录：1 提笔
2 蓝牙的演进史
3 BLE协议详解

1 提笔

最近因工作需要，投入到BLE项目中，故而花了不少时间翻看标准，钻研原理，以求知其所以然。结合平头哥BLE产品，实践验证理论，还是有了不少心得。一直想记录下来，奈何一直忙（给自己找了个理由），哈哈，今天终于下笔，来个小结。当然，如有不准确之处，还望各位同学批评指正。

先声明下，为了配合理解，文中很多图片资料来自SIG/IEEE标准组织或者互联网，如有版权问题，还请联系我，我会立刻纠正。不胜感激！

2 蓝牙的演进史
蓝牙（BlueTooth），是一种支持设备短距离通信的无线电技术，诞生于1994年，最初由电信巨头爱立信公司创制，当时是作为RS232数据线的替代方案。作为有线的无线替代方案，其理念是使用无线电传输来交换数据。名字取自于丹麦的一个国王Harold Bluetooth，此国王据说统一了四分五裂的国家，有点类似于我大秦帝国秦始皇。哈。
如今，蓝牙由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称SIG）管理。IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1。

从上表演进史可以得出，4.0之前的版本演进主要在追求通信速度，3.0高速蓝牙达到了24Mbps；4.0及其之后的版本演进主要在追求低功耗/低成本等物联网IoT特性。一般将蓝牙3.0之前的BR/EDR蓝牙称为经典蓝牙，而将4.0开始后的蓝牙称为低功耗蓝牙。本文重点介绍的是BLE。

3 BLE协议详解

我的经验是，要学习掌握某一数据通信协议，先找出其OSI模型，然后从底层（物理层）向上层层剥离。闲话少说，上图。

图表 2 BLE OSI架构
那我们就从物理层开始，逐层向上讲解。
BLE物理层主要的技术有4：
l 频谱
BLE使用2.4GHz工业，科学及医疗ISM频段，从2400MHz到2483.5MHz。信道带宽2M, 共计40个信道。F=2402+k*2MHz，k=0，。。。39。37/38/39固定为广播信道。
l GFSK调制解调
BLE采用的GFSK调制方式（高斯频移键控），中心频率容限是+/-150kHz
l AFH跳频解决拥堵问题
l 1M/2M无编码物理层，1M编码物理层（S=2，S=8）
频谱，哈，就不解释了，省的大家说我啰嗦。
GFSK，我通俗的理解就是，以（中心频率-150kHz）为频点的频率代表0，以（中心频率+150kHz）为频点的频率代表1
AFH，adaptive frequency hopping自适应跳频，大家都知道2.4G频段是开放频段，诸如WiFi，微波都在此频段，那就会产生很多干扰，BLE是通过此功能来尽量避开干扰。具体做法就是，在Master请求连接的时候，需要告知后续和Slave通信时的可用Channel以及跳频的步伐；当连接建立后，也可以动态更新可用channel和跳频步伐。可用channel用ChannelMask字段表明，跳频步伐用Hop字段表明。一图胜千言：

图表 3 跳频
再看看有跳频和无跳频的对比：

图表 4 有跳频的效果图

图表 5 无跳频的效果图

无编码物理层，顾名思义，一个物理symbol代表一个0或者1. 1M无编码，也就是物理层1M symbol/s，对应的数据传输速率为1Mbps，2M无编码同理。
编码物理层，举个栗子，11代表1，00代表0，在物理层symbol速率不变的情况下，有编码意味着实际数据速率的降低，这个例子里实际数据速率降低了1/2，但带来的好处是纠错能力的提高，破坏掉一位，仍可用还原，这样也就变相地提高了接收灵敏度，进而提高了覆盖距离。其实这个栗子就是S=2编码。
BLE支持1M symbol/s下的S=2和S=8，对应的数据速率也就是500kbps和125kbps。

==========================稍歇会儿，画个线，下面为LL层============================

BLE LL层，发展到这层，那就要从帧格式说起。

BLE帧主要分为两种：广播包和数据包。上图。

图表 9 BLE帧格式

两种报文的区别主要靠Access Address来定义。广播包的Access Address固定为0x8E89BED6. 广播包和数据包从access address字段后就分道扬镳了，有不同的定义。

图表 10 广播包帧格式
顾名思义，广播包就是所谓的灯塔包，主要目的是告知别人：我在这里，我有哪些服务和能力。以方便Scan设备扫描到，从而建立连接通信。广播分为4种类型：（上图PDU Type里的4种）
再加Scan_Req和Scan_Rsp,用来发送扫描请求以获得比广播里带的信息更多的Scan_Rsp。
再加Connect_Req，用来发送连接请求。
以上就构成了广播包的所有类型。
========================画个杠杠，下面讲数据包帧格式===========================
二话不说，上图：

图表 11 数据包帧格式
很清晰吧，多强调一点，LL层报文主要分为两类：LL Data PDU和LL Control PDU。LL Control PDU有以下内容：

图表 12 LL层控制报文
继续吧，后面该payload length字段了，也就是上图绿色那个。

图表 13 数据包帧格式续
========================LL层over，下面是L2CAP============================
L2CAP存在的价值就是可以适配不同的上层协议，诸如：ATT/SMP。继续上图：

图表 14 L2CAP帧格式
继续分解上图黄色三条：

图表 15 L2CAP帧格式续
讲到这里，BLE的帧结构基本就完了。那这些帧是以怎么个序列交互的呢？协议其实就是一种语言，让彼此能听懂意思。
对于BLE的通信过程，我总结如下：
1. BLE广播者广播自己，广而告之，告诉大家：我是谁？我有什么服务？
2. BLE 扫描者扫描广播者
a) 主动扫描，发送scan req报文，广播者回应scan response报文
b) 被动扫描，默默扫。
3. BLE 扫描者发起连接请求。角色为Master，广播者是Slave。请求里告知后续通信的参数，诸如：Slave该什么时候醒来打开Rx，跳频怎么跳等
4. 然后就是正常步调一致的通信，同时醒来，Master Tx一包，Slave Tx回应一包，再睡，如此循环。

图表 16 BLE广播/连接/通信

图表 17 Connect Req报文里带的连接参数

图表 18 连接参数详解

图表 19 连接参数详解续

图表 20 BLE宏观通信过程
==============================BLE基本通信过程over==============================
蓝牙通信通道有了，那用来干什么呢？这就要谈起ATT和GATT了。有了它们，才能完整地提供象运动手环检测心率这样的应用服务。哈哈，是不是很激动呀，终于从下蹿到顶了：）
那我们就先说应用服务，GATT的规定，应用对应profile，profile里包含若干service，service由characteristic组成，characteristic又由attribute组成，attribute是数据细胞单位。

举个栗子，如图就是一个心率profile。

图表 21 心率应用
应用定义是有了，但如何通过报文交互发现服务以及读写操作服务内容呢？这就是GATT/ATT干的事。如下：

=============================BLE从下到上的通信过程over==========================
最后再讲下BLE的安全，这就要提起SMP，还记得吗？上面图14和图15 L2CAP其中支持的协议之一就是SMP。
SMP协议主要做2件事：鉴权和加密
为了这2件事，需要的过程分为3个阶段：

具体报文交互过程：

图表 22 SMP过程交互
每个BLE的设备IO能力不一样，合作起来就要双方协商出一种鉴权方式，具体方法：

图表 23 BLE设备IO能力
设备IO能力有表示方法了，那就双方碰一碰下呗

这样就决定好了鉴权方式，然后按照上面通信流程生成LTK密钥，SKD为随机数，再合起来生成
Session Key，进行数据加解密。如下图：

4 End
基本就写到这里吧，后续再会补充点抓包报文，以供参考学习。欢迎同学们批评指正，随时拍砖...

5 引用出处